CN113114078B - 一种多相永磁同步电机的无位置传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多相永磁同步电机的无位置传感器控制方法，在估计dq轴系下构造定子电流状态空间模型，根据在每个控制周期，对估计电流值与实际电流值的q轴误差分量积分获得初步估计速度，以估计电流值与实际电流值的d轴误差分量来校正初步估计速度，实现电机转速估计。本发明电机能从静止状态直接矢量闭环快速起动，全速域范围不需要多种算法切换，具有快速起动能力，高速运行稳定性好，低速运行带载能力强等优点。

Description

一种多相永磁同步电机的无位置传感器控制方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种多相永磁同步电机的无位置传感器控制方法。

背景技术

与传统的三相电机系统相比，多相永磁电机在大功率高可靠性场合有更加突出的优势：可以用较小容量器件实现大功率；多相电机系统可以实现冗余控制，提高系统可靠性；电磁转矩脉动小；减小直流母线电流谐波。在船舶推进、城市轻轨、机车牵引、航空航天等领域得到了广泛的关注。

高性能的永磁同步电机矢量控制需要获取转子磁极位置信息，采用增加机械式编码器获取转子磁极位置的方式可能会带来很多问题，如硬件结构复杂，难以在恶劣条件下使用，对某些特殊结构电机，编码器安装困难，要增加控制器与编码器以及编码器和电机的机械连接，增加系统复杂度的同时，降低了系统的可靠性。

为了解决上述问题，基于高频注入法和基于反电动势法的速度估算方法相继被提出，常用无位置传感器控制算法适用范围有限，在全速域范围内采用多种算法融合的方法，导致运行不稳定，从而影响电机的起动性能、运行稳定性和低速性能。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的在于提供一种能从静止状态直接矢量闭环快速起动的多相永磁同步电机的无位置传感器控制方法，全速域不需要多种算法切换，具有快速起动能力，高速运行稳定性好，低速运行带载能力强等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多相永磁同步电机的无位置传感器控制方法，包括如下步骤：

1)，构造估计dq轴系下的定子电流状态空间模型；

2)，设定多相永磁同步电机第一套、第二套、…、第n套三相绕组的dq轴电压/电流分别为u_dq1/i_dq1、u_dq2/i_dq2、…、u_dqn/i_dqn，将各套三相绕组的dq轴电压的平均值作为dq轴等效电压u_dq，将各套三相绕组的dq轴电流的平均值作为dq轴等效电流i_dq；

3)，利用转速观测器根据q轴等效电压u_q，d轴电感上压降

反电动势

以及q轴电压扰动补偿量

经一阶低通滤波器处理得到q轴电流估计值，q轴电流实际值与q轴电流估计值的差值经积分处理得到电机初步速度估计值

4)，利用转速观测器根据d轴等效电压u_d，q轴电感上压降

以及d轴电压扰动补偿量

经一阶低通滤波器处理得d轴电流估计值，d轴电流实际值与d轴电流估计值的差值经比例环节

处理得电机速度校正量Δω；

5)，电机初步速度估计值

经速度校正量Δω处理获得电机速度最终估计值

所述的一种多相永磁同步电机的无位置传感器控制方法，其定子电流状态空间模型为：

其中，L_d为电机的d轴电感，L_q为电机的q轴电感，R_s为电机的定子电阻，λ_PM为电机的永磁体磁链，u_sd、u_sq分别为电机的dq轴电压，i_d、i_q分别为电机的电流分量，K_d、K_q分别为dq轴虚拟电阻分量；电流实际值与估计值的差值

根据定子电流状态空间模型建立dq轴电流观测器：

根据dq轴电流观测器，利用k时刻的电流估算k+1时刻电流：

其中u_sd(k)、u_sq(k)、i_dq(k)、

分别为k时刻的dq轴电压、dq轴电流、dq轴转速；i_dq(k+1)为k+1时刻的dq轴电流；Δi_dq(k)为k时刻的电流误差；T为控制周期。

进一步，通过如下公式计算k时刻的电流估计值与k时刻电流传感器采集到的电流误差：

对dq轴电流误差设计转速观测器和转子位置观测器：

其中，

为初步估计的速度，

为最终估计的速度。

所述的一种多相永磁同步电机的无位置传感器控制方法，其步骤3)中的一阶低通滤波器传递函数为1/(L_dS+R_s)，其中L_d为电机d轴等效电感，R_s为电机的相电阻。

所述的一种多相永磁同步电机的无位置传感器控制方法，其步骤4)中的一阶低通滤波器传递函数为1/(L_qS+R_s)，其中L_q为电机q轴等效电感，R_s为电机的相电阻。

本发明具有以下技术效果：本发明方法能从静止状态直接矢量闭环快速起动，全速域范围不需要多种算法切换，具有快速起动能力，高速运行稳定性好，低速运行带载能力强等优点。

附图说明

图1为本发明多相永磁同步电机无位置传感器控制方法的整体框图；

图2为双三相Y移30°永磁同步电机无位置传感器控制方法的整体框图；

图3为双三相Y移30°永磁同步电机的dq轴等效电流计算示意图；

图4为双三相Y移30°永磁同步电机的dq轴等效电压计算示意图；

图5为q轴电流误差用于转速初步估计值计算原理框图；

图6为d轴电流误差用于校正转速初步估计值原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明公共的一种多相永磁同步电机的无位置传感器控制方法，在dq轴系下设计了一种转速观测器，利用dq轴等效电压u_dq/等效电流i_dq实现多相永磁同步电机的转速估计；包括如下步骤：

1)，构造估计dq轴系下的定子电流状态空间模型如下：

其中，L_d为电机的d轴电感，L_q为电机的q轴电感，R_s为电机的定子电阻，λ_PM为电机的永磁体磁链，u_sd、u_sq分别为电机的dq轴电压，i_d、i_q分别为电机的电流分量，K_d、K_q分别为dq轴虚拟电阻分量；电流实际值与估计值的差值

根据定子电流状态空间模型建立dq轴电流观测器：

根据dq轴电流观测器，利用k时刻的电流估算k+1时刻电流：

其中u_sd(k)、u_sq(k)、i_dq(k)、

分别为k时刻的dq轴电压、dq轴电流、dq轴转速；i_dq(k+1)为k+1时刻的dq轴电流；Δi_dq(k)为k时刻的电流误差；T为控制周期。

2)，设定多相永磁同步电机第一套、第二套、…、第n套三相绕组的dq轴电压/电流分别为u_dq1/i_dq1、u_dq2/i_dq2、…、u_dqn/i_dqn，将各套三相绕组的dq轴电压的平均值作为dq轴等效电压u_dq，将各套三相绕组的dq轴电流的平均值作为dq轴等效电流i_dq。

3)，利用转速观测器根据q轴等效电压u_q，d轴电感上压降

反电动势

以及q轴电压扰动补偿量

经一阶低通滤波器处理得到q轴电流估计值，q轴电流实际值与q轴电流估计值的差值经积分处理得到电机初步速度估计值

一阶低通滤波器传递函数为1/(L_dS+R_s)，其中L_d为电机d轴等效电感，R_s为电机的相电阻。

4)，利用转速观测器根据d轴等效电压u_d，q轴电感上压降

以及d轴电压扰动补偿量

经一阶低通滤波器处理得d轴电流估计值，d轴电流实际值与d轴电流估计值的差值经比例环节

处理得电机速度校正量Δω；一阶低通滤波器传递函数为1/(L_qS+R_s)，其中L_q为电机q轴等效电感，R_s为电机的相电阻。

5)，电机初步速度估计值

经速度校正量Δω处理获得电机速度最终估计值

设计转速、位置观测器，得到转子位置和转速，用于电机转速和电流闭环控制，实现双三相永磁电机的无位置传感器控制。

下面结合附图以双三相Y移30°永磁同步电机的无位置传感器控制为例，对本发明进一步详细叙述。

如图2所示，一种双三相Y移30°永磁同步电机的无位置传感器控制方法，包括以下步骤：

步骤1，构造估计dq轴系下的双三相Y移30°永磁同步电机的定子电流状态空间模型，具体过程如下。

步骤1.1，构造估计dq轴系下的定子电流状态方程：

其中，L_d、L_q、R_s、λ_PM分别为双Y移30°六相永磁同步电机的d轴电感、q轴电感、定子电阻、永磁体磁链；u_sd、u_sq、分别为电机的dq轴电压，i_d、i_q分别为电机的电流分量；K_d、K_q分别为dq轴虚拟电阻分量；

为电流实际值与估计值的差值。

步骤2，根据双三相Y移30°永磁同步电机两套三相绕组的电压u_d1、u_q1、u_d2、u_q2和电流i_d1、i_q1、i_d2、i_q2，计算估计dq轴系下双三相Y移30°永磁同步电机的等效定子电压u_d、u_q和定子电流i_d、i_q，并利用步骤1构造出的定子电流状态空间模型估计出下一时刻的定子电流值。具体过程如下。

步骤2.1，利用双三相Y移30°永磁同步电机两套三相绕组电流传感器采集到的相电流i_a1、i_b1、i_a2、i_b2计算dq轴系下的电流i_d1、i_q1、i_d2、i_q2，公式如下：

式中，i_a1、i_b1、i_α1、i_β1分别为第一套三相绕组的三相静止轴系下的电流、两相静止轴系下的电流；i_a2、i_b2、i_α2、i_β2分别为第二套三相绕组的三相静止轴系下的电流、两相静止轴系下的电流；i_d1、i_q1、i_d2、i_q2分别为第一、二套三相绕组的dq轴系下的电流；

为两套三相绕组间的相位差。

步骤2.2，利用公式(3)、(4)计算双三相Y移30°永磁同步电机永磁同步电机dq轴系的等效电流id、iq。

步骤2.3，利用双三相Y移30°永磁同步电机两套三相绕组电流内环PI调节器重构的电压u_d1、u_q1、u_d2、u_q2计算dq轴系下的等效电压ud、uq，公式如下：

其中1、2分别代表第一套、第二套三相绕组。

步骤2.4，对公式(1)离散化处理，利用k时刻的电压、电流估计k+1时刻的电流，如公式(7)所示：

步骤3，对估计出的定子电流与电流传感器采集到的定子电流作差处理，设计转速、位置观测器，得到转子位置和转速，用于电机转速和电流闭环控制，实现双三相永磁电机的无位置传感器控制。具体过程如下。

步骤3.1，利用公式(7)估算出的电流与电流传感器采集到的电流作差处理，电流误差公式可以表达为：

其中i_d(k)、

分别k时刻电流传感器采集到的电流值、k时刻的电流估计值。

步骤3.2，构造转速观测器，对公式(8)获得的dq轴电流误差分别进行处理，公式如下：

其中，

为初步估计的速度，

为最终估计的速度。

如图2所示，电流传感器采集第一套三相绕组的相电流i_a1、i_b1，采集第二套三相绕组的相电流i_a2、i_b2，对相电流经坐标变换后变为两相旋转轴系下的电流i_d1、i_q1、i_d2、i_q2，作为电流内环反馈值。转速观测器利用PI控制器的输出u_d1、u_q1、u_d2、u_q2以及电流反馈值i_d1、i_q1、i_d2、i_q2观测转子速度、位置。

图3为双三相Y移30°永磁同步电机的dq轴等效电流的计算框图。对第一、二套三相绕组的d、q轴电流求取平均值，得到双三相Y移30°永磁同步电机dq轴等效电流。

图4为双三相Y移30°永磁同步电机的dq轴等效电压的计算框图。对第一、二套三相绕组的电流内环PI调节器的输出电压求取平均值，得到双三相Y移30°永磁同步电机dq轴等效电压。

图5为q轴电流误差用于转速初步估计值计算原理框图。将电流传感器采集到的q轴电流与利用构造的定子电流模型估计出的q轴电流作差处理，经积分器作用，得到转子速度初步估计值。

图6为d轴电流误差用于校正转速初步估计值原理框图。将电流传感器采集到的d轴电流与利用构造的定子电流模型估计出的d轴电流作差处理，经比例调节器作用，得到转子速度校正值，校正转子速度初步估计值，获得转子速度最终估计值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种多相永磁同步电机的无位置传感器控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)，构造估计dq轴系下的定子电流状态空间模型：

其中，L_d为电机的d轴电感，L_q为电机的q轴电感，R_s为电机的定子电阻，λ_PM为电机的永磁体磁链，u_sd、u_sq分别为电机的dq轴电压，i_d、i_q分别为电机的电流分量，K_d、K_q分别为dq轴虚拟电阻分量；电流实际值与估计值的差值

根据定子电流状态空间模型建立dq轴电流观测器：

根据dq轴电流观测器，利用k时刻的电流估算k+1时刻电流：

其中u_sd(k)、u_sq(k)、i_dq(k)、

分别为k时刻的dq轴电压、dq轴电流、dq轴转速；i_dq(k+1)为k+1时刻的dq轴电流；Δi_dq(k)为k时刻的电流误差；T为控制周期；

通过如下公式计算k时刻的电流估计值与k时刻电流传感器采集到的电流误差：

对dq轴电流误差设计转速观测器和转子位置观测器：

其中，

为初步估计的速度，

为最终估计的速度；

2)，设定多相永磁同步电机第一套、第二套、…、第n套三相绕组的dq轴电压/电流分别为u_dq1/i_dq1、u_dq2/i_dq2、…、u_dqn/i_dqn，将各套三相绕组的dq轴电压的平均值作为dq轴等效电压u_dq，将各套三相绕组的dq轴电流的平均值作为dq轴等效电流i_dq；

3)，利用转速观测器根据q轴等效电压u_q，d轴电感上压降

反电动势

以及q轴电压扰动补偿量

经一阶低通滤波器处理得到q轴电流估计值，q轴电流实际值与q轴电流估计值的差值经积分处理得到电机初步速度估计值

4)，利用转速观测器根据d轴等效电压u_d，q轴电感上压降

以及d轴电压扰动补偿量

经一阶低通滤波器处理得d轴电流估计值，d轴电流实际值与d轴电流估计值的差值经比例环节

处理得电机速度校正量Δω；

5)，电机初步速度估计值

经速度校正量Δω处理获得电机速度最终估计值

2.根据权利要求1所述的一种多相永磁同步电机的无位置传感器控制方法，其特征在于，所述的步骤3)中的一阶低通滤波器传递函数为1/(L_dS+R_s)，其中L_d为电机d轴等效电感，R_s为电机的相电阻。

3.根据权利要求1所述的一种多相永磁同步电机的无位置传感器控制方法，其特征在于，所述的步骤4)中的一阶低通滤波器传递函数为1/(L_qS+R_s)，其中L_q为电机q轴等效电感，R_s为电机的相电阻。

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